由新紅，張志軒，李 帥，張鵬平

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

配電網作為電力系統(tǒng)神經末梢，直接面向千家萬戶，是影響用戶供電可靠性和優(yōu)質服務水平的關鍵環(huán)節(jié)［1-2］。近年來，隨著傳統(tǒng)電網與物聯(lián)網技術的相互滲透和優(yōu)質服務標準的不斷提高，中壓配電網網架結構日益健壯、設備入網檢測力度不斷加大，配電自動化覆蓋率持續(xù)增長［3-4］，線路故障停電率逐年下降。然而，低壓配電網的發(fā)展受到多種因素制約已明顯滯后于中壓配電網［5-8］：一是低壓配電網點多線長面廣，網架結構復雜，設備質量參差不齊，難以通過遠程通信方式建立自動化“三遙”系統(tǒng)，低壓配網數(shù)據層面基本處于“黑盒”狀態(tài)［9-11］；二是相關標準執(zhí)行力度不足，設備標準化程度不高，各類監(jiān)測設備硬件獨立、軟件固化，數(shù)據采集及其通信方式隨制造廠家不同而各成一家，擴展性、靈活性差、業(yè)務需求響應不及時，滯緩數(shù)字化低壓配網發(fā)展進程［12-13］；三是低壓配電網用戶性質多樣，負荷波動較大，而儲能、分布式光伏等新能源接入比例的不斷增加，加劇了低壓配網電壓波動、三相不平衡等問題，同時也引發(fā)了高比例棄風棄光率問題［14-16］。因此，解決配電網數(shù)據采集及應用薄弱環(huán)節(jié)，提高配電網建設運維管理水平，提升客戶優(yōu)質服務水平是當前推動配電網發(fā)展的必經之路。

2018 年國家電網有限公司印發(fā)《關于做好智能配變終端應用工作的通知》（設備配電［2018］35號），明確提出了“探索實踐以智能配變終端為核心的配電物聯(lián)網技術”“構建低壓配電網運行監(jiān)測體系”“提升配電網精益管理水平”，國網山東省電力公司貫徹落實相關工作部署，以“探索建設以智能配變終端為核心的配電物聯(lián)網示范區(qū)”為目標，基于“云、管、邊、端”技術架構，先后建成試點配電室和省級配電物聯(lián)網云主站，推廣智能配變終端應用，以低壓臺區(qū)數(shù)據采集為基礎，積極開展臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測、營配數(shù)據交互、故障定位與主動搶修等試點應用，實現(xiàn)低壓配電網運行狀態(tài)可觀可控，為配電網精益管控提供有力支撐。

深入分析山東低壓配電臺區(qū)融合終端數(shù)據采集現(xiàn)狀、營銷側電能表數(shù)據采集現(xiàn)狀，計及現(xiàn)階段技術應用及建設成本，提出下一步低壓臺區(qū)數(shù)據采集優(yōu)化方案。進而基于臺區(qū)智能融合終端的采集數(shù)據，從配網設備精益運檢、營銷客戶優(yōu)質服務、新能源消納與新負荷管理三個角度分析了當前低壓臺區(qū)數(shù)據應用現(xiàn)狀，最后，深度挖掘數(shù)據價值，從提升電網企業(yè)內部建設、服務經濟社會發(fā)展兩個層面，提出了低壓配電網數(shù)據拓展應用方向。

1 數(shù)據采集技術分析

1.1 數(shù)據采集現(xiàn)狀分析

低壓配電物聯(lián)網整體拓撲架構如圖1 所示，其中，RF 表示射頻，RS-485 為通信接口，M-BUS 為總線通信。10 kV 母線經臺區(qū)變壓器降壓，依次通過框架斷路器—低壓母線—電纜分支箱—表箱—用戶電表，至低壓用戶負荷。分支箱子終端和表箱子終端分別采集箱內塑殼斷路器的開關狀態(tài)和交流采樣信息，各終端以脈沖電流注入方式實現(xiàn)低壓拓撲自動識別，表箱子終端可實時監(jiān)測用戶停電信息并上傳至配電云主站。通過建立I型集中器與融合終端通信機制，實現(xiàn)電壓、電流數(shù)據、日凍結、電表檔案等數(shù)據就地貫通，寬帶電力線載波（High Power Line Carrier，HPLC）智能電能表停電信息無延時上送至配電云主站。

圖1 低壓臺區(qū)整體拓撲架構

融合終端作為低壓配電物聯(lián)網的邊緣計算節(jié)點，是“邊端數(shù)據自組織，邊云業(yè)務自協(xié)同”的載體和關鍵環(huán)節(jié)［17］，實現(xiàn)臺區(qū)智能終端硬件平臺和軟件功能的解耦。對下，邊緣計算節(jié)點與端設備通過數(shù)據交換實現(xiàn)邊端協(xié)同，支持端對邊的即插即用接入，實現(xiàn)數(shù)據全采集、全感知、全掌控［18］；對上，邊緣計算節(jié)點與云主站實時交互關鍵運行數(shù)據實現(xiàn)邊云協(xié)同，支持邊對云的自注冊及新應用程序（Application，APP）虛終端方式接入云，減低云端數(shù)據處理壓力，實現(xiàn)臺區(qū)自治［19-21］。

1.1.1 融合終端數(shù)據采集現(xiàn)狀

融合終端對下層設備一般采用RS-485 串口和HPLC 寬帶載波兩種通信方式，對上通過4G 通信模塊與云主站進行數(shù)據交互。融合終端采集APP，采集下層多功能表、電子式塑殼斷路器、剩余電流保護器、集中器、末端終端、智能電容器和浪涌保護器等設備的數(shù)據，融合終端采集APP清單如表1所示。

表1 融合終端APP

1.1.2 營銷側電能表數(shù)據采集現(xiàn)狀

自2009 年起，全面推進用電信息采集工程建設，2015年實現(xiàn)了智能電能表和用電信息采集“全覆蓋”，其中93%以上客戶采用“Ⅱ型集中器+485 電能表”采集方案，不足7%的客戶采用“Ⅰ型集中器+HPLC智能電能表”采集方案。Ⅰ型集中器安裝在臺區(qū)總表處，通過電力載波采集電能表信息，以GPRS等無線方式直接上送至用電信息采集主站；Ⅱ型集中器安裝在臺區(qū)低壓側計量箱內，通過RS485 采集電能表信息，信息上行同樣采用GPRS等無線方式。

營銷側電能表數(shù)據上送至配電云主站有兩種試點方案。方案1：I 型集中器+末端感知模塊+II 型集中器+485 電能表；方案2：I 型集中器+HPLC 智能電能表。兩種方案分別如圖2、圖3所示。

圖2 方案1交互架構

圖3 方案2交互架構

方案1：在II 型集中器處加裝末端感知單元，讀取電表數(shù)據，通過寬帶載波（HPLC）方式將采集數(shù)據傳輸至I 型集中器，I 型集中器通過4GVPN 專網將電量等數(shù)據直接上傳至用采主站，同時通過RS-485與融合終端進行數(shù)據交互。融合終端通過4GVPN 專網將數(shù)據上傳至配電云主站。

方案2：I 型集中器與載波電表采用HPLC 通信方式進行通信，數(shù)據交互遵循面向對象DL/T 698.45規(guī)約或DL/T 645—2007 規(guī)約。I 型集中器通過4G 公網/專網將電量等數(shù)據直接上傳至用采主站，同時通過以RS-485 與融合終端進行數(shù)據交互。融合終端通過4GVPN專網將數(shù)據上傳至配電網云主站。

1.2 數(shù)據采集優(yōu)化提升

除新建試點臺區(qū)外，對已建臺區(qū)的塑殼斷路器等開關，均通過配置多功能表、分支箱/表箱子終端設備、加裝線路電流互感器，采集開關狀態(tài)、交采數(shù)據等信息，并將采集的信息上送至融合終端。而配電網點多面廣、開關設備量大且分布范圍廣，電流互感器和開關采集子終端也隨之數(shù)量龐大，是配電網投資建設中不可忽視的一項成本，另一方面，加裝分支箱、表箱子終端的方式，使得融合終端下發(fā)的遙控指令無法直接到達開關設備，限制了未來對臺區(qū)開關實現(xiàn)遠程遙控操作的發(fā)展進程。數(shù)據傳輸信道方面，僅試點臺區(qū)具備低壓臺區(qū)完整拓撲，采集子終端通過RS-485串口或者HPLC載波通信方式與臺區(qū)融合終端進行數(shù)據通信，RS-485 通信受傳輸距離和設備容量限制，無法滿足實際臺區(qū)建設需求，HPLC 載波通信方式，因低壓電力線本身的介質、結構、負荷影響，載波信號抗干擾能力較差，無法實現(xiàn)低壓臺區(qū)高可靠性數(shù)據傳輸建設目標。

針對目前低壓臺區(qū)數(shù)據采集方式和數(shù)據交互現(xiàn)狀，考慮現(xiàn)階段技術應用及建設成本，構建“HPLC電力載波+微功率無線”雙模通信網絡，規(guī)范配電設備標準化物聯(lián)接口，降低采集裝置冗余度，提高低壓臺區(qū)數(shù)據傳輸靈敏度，進一步提高低壓側設備狀態(tài)、用戶負荷、分布式能源等區(qū)域性的源、網、荷信息感知度，利用數(shù)據融合價值，將云主站打造為山東低壓能源互聯(lián)網運行決策支持中心。優(yōu)化后低壓臺區(qū)拓撲架構如圖4 所示。按照此技術方案，塑殼斷路器、剩余電流保護器等采用低壓智能斷路器，不需要再對應加裝線路電流互感器和相應的采集子終端，其運行信息可通過內嵌通信模塊直接上送融合終端，用戶側HPLC 電表停復電信息可通過I 型集中器實時上送至融合終端。

圖4 優(yōu)化后低壓臺區(qū)拓撲架構

2 數(shù)據應用分析

2.1 應用現(xiàn)狀

遵循公司配電物聯(lián)網體系架構，以配用電領域應用需求為導向，開展以臺區(qū)智能融合終端為基礎的配電物聯(lián)網應用場景建設。從配電網專業(yè)應用角度出發(fā)，將臺區(qū)智能融合終端的數(shù)據應用按照場景劃分配網設備精益運檢、營銷客戶優(yōu)質服務、新能源消納與新負荷管理三大類，包括8個應用場景。

1）支撐配網設備精益運檢。包括配變運行狀態(tài)監(jiān)控、故障精準定位與主動搶修、電能質量監(jiān)測與供電可靠性分析3個應用場景。

配變運行狀態(tài)監(jiān)控?；谂_區(qū)智能融合終端交流采集基礎數(shù)據，分析配電變壓器運行工況、設備狀態(tài)數(shù)據、環(huán)境情況及其他信息并上傳云主站。

故障精準定位與主動搶修。融合終端實時獲取配變低壓側設備停電、復電事件，就地分析事件真實性、故障定位及停電范圍并上傳云主站，主站確認后即刻發(fā)起搶修工單并通知到戶。

電能質量監(jiān)測與供電可靠性分析。融合終端就地分析低壓配網三相不平衡、諧波等電能質量問題，計算臺區(qū)可靠性數(shù)據并上送主站，實現(xiàn)配網就地治理。

2）營銷客戶優(yōu)質服務。包括臺區(qū)精益線損監(jiān)測、低壓用戶接入方案優(yōu)化、反竊電實時監(jiān)測3 個應用場景。

臺區(qū)精益線損監(jiān)測。融合終端實時監(jiān)測電壓、電流、有功、凍結電量等關鍵數(shù)據，就地開展臺區(qū)分路、分相線損統(tǒng)計分析并送至云主站，實現(xiàn)低壓線損實時監(jiān)管。

低壓用戶接入方案優(yōu)化。綜合考慮設備和線路承載能力、負荷特性、分布式電源容量等因素，自動生成用戶接入方案。

反竊電實時監(jiān)測。融合終端就地計算臺區(qū)、分支和用戶側的線損數(shù)據，實現(xiàn)臺區(qū)內分時、分段精益化線損管理，就地分析、定位竊電行為，并上送到云主站。

3）新能源消納與負荷管理。包括新能源靈活消納與智能控制、電動汽車有序充電與充電樁布點優(yōu)化2個應用場景。

新能源靈活消納與智能控制。融合終端融合新能源接入、臺區(qū)運行工況等信息，形成符合用戶用能方式的新能源工作策略，調節(jié)用戶彈性負荷，保障配網經濟運行。

電動汽車有序充電與充電樁布點優(yōu)化。融合終端根據配變負載率、充電樁群充電功率信息，最優(yōu)配置配變負載資源及充電樁布點，依托不同充電策略下的分時電價、充電積分等，引導用戶有序充電，實現(xiàn)用戶經濟效益和配變利用率最大化。

2.2 拓展應用

2.2.1 電網行業(yè)內部產業(yè)生態(tài)鏈

對于電網行業(yè)內部產業(yè)，配電網智能化感知與物聯(lián)網絡的大規(guī)模應用，為構建電力行業(yè)生態(tài)鏈提供了大數(shù)據資源庫，低壓配電網運行透明化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢，推動著傳統(tǒng)電力裝備智能感知、就地決策的革新，基于特征識別的臺區(qū)負荷精準預測，為滿足客戶個性化、多元化、智能化服務需求提供了數(shù)據基礎，網架結構、設施設備現(xiàn)狀、用電規(guī)模、分布式電源等數(shù)據的深度融合，為配電網的科學規(guī)劃與精準投資提供決策支持。

智能設備生態(tài)鏈建設。通過臺區(qū)、線路、管道的物聯(lián)網化改造建設，提升傳統(tǒng)電力裝備智能感知、決策能力，降低生產人員勞動強度和設備安裝運維成本，促進設備制造智能化水平和配電運檢自動化水平提升，建立新型配電一次設備轉型升級和智能化融合的產業(yè)生態(tài)鏈。

客戶服務水平智能化提升。基于具有非侵入式電力負荷辨識的新型智能電表等端設備，獲取低壓用戶負荷辨識信息，上送云主站。云主站結合用戶各類負荷接入時段、平均功耗以及分時電價政策，以網上國網或短信的形式將對用戶用電行為調整和節(jié)約用電建議推送給用戶，從服務上保障個性化、綜合化、智能化服務需求。

配電網科學規(guī)劃與精準投資。充分利用邊端全息感知數(shù)據，結合區(qū)域網架結構、設施設備現(xiàn)狀、配網薄弱環(huán)節(jié)、用電規(guī)模、負荷分布等信息，考慮區(qū)域內用電用戶特征、經濟發(fā)展狀況、環(huán)境地貌、分布式電源等情況，在云端智能制定具有靈活性和經濟性的配電網規(guī)劃和投資方案，實現(xiàn)配電網的科學規(guī)劃與精準投資。

2.2.2 支撐經濟發(fā)展和社會服務

對于經濟發(fā)展和社會服務，配電網物理網架建設和物聯(lián)網絡的搭建，為構建電、氣、熱、冷綜合能源廣泛互聯(lián)有機融合的區(qū)域能源互聯(lián)網提供了物理平臺和信息通道，全面提升社會服務能力，配電網特有的對社會用電量數(shù)據的時空感知屬性，為研判經濟運行趨勢、制訂污染防控方案、分析改善民生戰(zhàn)略成效、防控電力金融風險提供決策支撐。

能源平臺構建與綜合服務拓展。在供電、供氣、供冷、供熱等各種能源供應系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、建設和運行的過程中，依托設備側泛在電力物聯(lián)網在配電側的平臺和通道，對各類能源的分配、轉化、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調與優(yōu)化，實現(xiàn)負荷預測、設備管理、信息化管理、配電運維、需求響應提供有效的決策支撐服務，滿足供能多元化、服務多元化、用能方式多元化的客戶需求，實現(xiàn)能源資源最大化利用的運行模式和技術。

配用電數(shù)據價值共享?；谄髽I(yè)中臺大數(shù)據采集、處理、分析、可視化等技術，深度挖掘社會用電量等數(shù)據價值，為經濟分析、節(jié)能環(huán)保、保障民生、金融投資等方面提供豐富的數(shù)據支撐。一是研判經濟運行趨勢，充分利用數(shù)據價值，從行業(yè)、產業(yè)、規(guī)模用戶等多角度分析經濟發(fā)展趨勢，優(yōu)化區(qū)域產業(yè)結構，因地制宜推動區(qū)域經濟良性發(fā)展。二是輔助制定污染防控方案，根據重點污染防控企業(yè)用電量變化數(shù)據，分析企業(yè)生產重污染元素改善指數(shù)，助力各行各業(yè)綠色發(fā)展新趨勢。三是支撐改善民生成效分析，跟蹤中小企業(yè)電量變化、小區(qū)空房率、機井通電惠民、煤改電扶貧、光伏收益等民生數(shù)據，分析新舊動能轉化、扶貧成效、鄉(xiāng)村振興等戰(zhàn)略的建設成效，為政府部門提供計算數(shù)據支撐。四是防控金融投資風險，根據企業(yè)的用電量波動、用電量趨勢、用電差異度、行業(yè)用電量對比分析等數(shù)據，分析企業(yè)信用水平，為理財投資服務、能源保險服務、信貸服務等金融業(yè)務提供數(shù)據支撐。

3 結語

圍繞配電網是影響供電服務水平的關鍵環(huán)節(jié)”這一定位，緊密結合國家數(shù)字新基建和山東省配電物聯(lián)網建設現(xiàn)狀，深入分析了山東低壓配電臺區(qū)融合終端數(shù)據采集現(xiàn)狀、營銷側電能表數(shù)據采集現(xiàn)狀，計及現(xiàn)階段技術應用及建設成本，提出了下一步低壓臺區(qū)數(shù)據采集優(yōu)化方案。

進而，以能源網架、信息支撐、價值創(chuàng)造“三大體系”的深度融合為導向，基于臺區(qū)智能融合終端的采集數(shù)據，從配網設備精益運檢、營銷客戶優(yōu)質服務、新能源消納與新負荷管理三個角度分析了當前低壓配網數(shù)據應用價值。

最后，提出了低壓配電網數(shù)據深度應用價值，為提升電網企業(yè)內部建設，服務整個經濟社會發(fā)展奠定了基礎。